電池管理系統均衡技術發展綜述

王曉露，譚澤富，代妮娜， 薛菁，向麗紅

（ 重慶三峽學院 信息與信號處理重點實驗室，重慶 404000）

0 引 言

鋰電池在生產加工過程中的個體差異及鋰電池本身特有的化學屬性，會導致鋰電池組內單體鋰電池不一致即電池組不平衡，電池組不平衡問題會隨著電池性能的逐漸退化而加劇，進而產生熱失控爆炸等安全隱患。

電池組內電池的不一致性可借助均衡電路或結合均衡器的均衡策略得以解決，以避免電池劣化 進而產生過放電，確保每個電池都能夠在相同或相似狀態下工作。判斷電池均衡控制策略的變量一般有三種：電池的荷電狀態（State Of Charge, SOC）、電池容量和電池電壓。目前電池管理系統（Battery Management System, BMS）均衡變量的研究熱點是電池電壓和電池SOC的精準測量。國內外半導體廠商已設計出專用的IC芯片（Integrated Circuit Chip），例如廣泛應用的TIMAXIMLINER將電阻放電控制功能集成到芯片以及電池專用的DC/DC轉換芯片等。本文主要介紹幾種主流的均衡方法和策略，分析均衡技術未來的發展趨勢。

1 電池均衡技術

電池均衡管理系統依據劃分方式的不同可分為不同的形式：根據具體變量的不同可分為基于電壓的均衡、基于容量的均衡和基于SOC的均衡；根據電路拓撲結構的不同可分為無源形式和有源形式；根據觸發時機的不同可分為能量耗散（被動平衡技術）和能量非耗散（主動平衡技術）。均衡技術的典型分類如圖1所示。

圖1 均衡技術典型分類

以電阻放電的形式進行均衡的方法叫作被動均衡，被動均衡的基本結構如圖2所示。目前采用被動均衡技術的生產企業較少，例如特斯拉采用的18650型號電池，其單體電池容量較小，每個電芯采用工業化生產，電池本身的一致性和自放電率控制比較好。主動均衡是一種以電量轉移方式實現的均衡，其方法主要分為開關電容式主動均衡、電感式主動均衡、變壓器式主動均衡以及變換器式主動均衡。主動均衡成本較高、均衡效率有限、技術比較復雜，現階段主動均衡的研究仍面臨著較大的挑戰。

圖2 被動均衡基本結構

1.1 基于變換器的均衡技術

基于變換器的電池均衡是利用DC/DC變流電路實現均衡的方法，根據DC/DC變流電路的特點，基于變換器的均衡結構可分為非隔離型電路結構和隔離型電路結構。非隔離型電路主要分為Cuk電路、Buck電路及Buck-Boost電路：

（1）Cuk電路。劉征宇等提出了一種新型均衡拓撲結構，采用零電壓導通技術，通過雙層開關選擇均衡單體電池連接到Cuk均衡器，實現了模組內部單體之間以及不同模組單體之間均衡能量的同時轉移，實驗結果表明，其拓撲中的能量在均衡單體之間可直接搬運，能量利用率約為94%。李斌等提出了一種基于Cuk電路的多交錯對稱式均衡結構，該均衡拓撲結構結合了Cuk電路和分層均衡優勢，縮短了均衡路徑，該均衡結構在均衡時間上分別縮短了91.54%和56.1%。

（2）Buck電路。Q.Li等提出了使用交直流隔離的單芯Buck-DC/DC充電模塊對多個電池同時均衡的改進系統，該系統可有效地對鋰離子電池模塊進行充電和均衡，縮短模塊在初始測試過程中的測試時間。Dehri K等設計了一種離散滑模控制器，以一個受諧波干擾的時變DC-DC Buck變換器為例，實驗證明了其設計的有效性。龔坤珊等針對傳統單相髙壓大功率Buck變換在功率開關管兩端會產生過高電壓尖峰的缺點，提出一種無源無損吸收的交錯并聯Buck電路，其結構如圖3所示，該變換器實驗整體效率在96%以上，滿載時效率最高達到98.37%，其在實際工程應用中可以有效地減小損耗。

圖3 單相無源無損Buck電路原理圖

（3）Buck-boost電路。馬曉爽等提出一種互補脈沖驅動方案，用以減小變換器的二極管損耗，最后通過仿真和實驗得到了驗證，端口電流與電感電流均在約2 ms處達到給定值并穩定運行。Q.Zhang等開發一種基于SiC（Silicon carbide）的多并聯分立器件，Buck-Boost變換器改進結構如圖4所示，兩個轉換器可以根據需要在各種工作條件下工作，可以通過直流電源的輸出功率直接測量兩個變流器中的損耗（包括所有部件功率的損耗），大大提高了效率測量的準確性，實驗證明其效率為98.3%～99.5%，可以在不影響SiC器件高速開關能力的情況下實現電流共享。

圖4 Buck-boost變換器的控制框圖

常用的隔離DC/DC變換電路主要分為正激變換、反激變換、橋式變換。正激變換和反激變換與變壓器的拓撲方式相似，全橋式變換器非常適用于大功率輸出裝置，但是其驅動電路相對復雜，在價格上比較昂貴。王鶴等提出了一種并聯型DC/DC全橋與降壓型變換器拓撲相結合的控制策略，借助移相全橋控制技術和交錯并聯控制技術實現高頻磁隔離功能，提高電流控制性能，使得變換器在不同負載情況下的效率均能保持在95%左右。

1.2 基于LTC3300的電池組均衡技術

LTC3300是一款獨立的雙向反激式控制器，適用于鋰電池和LiFePO4電池，可提供10 A的均衡電流。主要應用于電動汽車/插電式混合動力汽車（HEV）、大功率UPS/電網能量存儲系統、通用型多節電池組。

基于LTC3300芯片的均衡模塊搭配LTC6804等電池組監視器，均衡效率可達90%以上。例如，劉政等設計一套采用電池均衡芯片LTC3300- 1與電池管理芯片LTC6804-2的主動均衡系統來實現能量雙向轉移，實驗測試結果表明該系統的均衡效果明顯，可以在100 min內將最大電壓差從430 mV下降到27 mV，均衡系統結構如圖5所示。

圖5 主動均衡單元電路

2 市場應用

所有BMS系統的硬件都需要芯片的支持，美國鋰離子電池管理系統一直走在世界前列。十幾年前日本就開始對BMS技術進行研發，BMS芯片解決方案的供應商主要有TI、英飛凌、NXP、ADI、瑞薩、ST和安森美等企業，國內外BMS供應商的技術參數如表1所示。

表1 國內外主流BMS供應商的技術參數

目前市場上的電動汽車普遍采用無源均衡技術，例如特斯拉、比亞迪秦、榮威Ei5等品牌的電動汽車都配備了無源EMS，有源均衡技術雖然應用范圍有限，但因其效率高、速度快等優點而成為研究的熱點。根據Marklines統計，2020年全球電動汽車的總銷量為289.24萬輛，其中應用被動均衡技術的電動汽車有233.1萬輛，占電動汽車總量的80.6%，其中有15.7%來自美國的特斯拉系列汽車，3.7%來自日系豐田、本田旗下汽車，采用主動均衡技術的電動汽車有56萬輛，奇瑞占1.4%，上汽占5.4%，如圖6所示。

圖6 2020年全球電動汽車所占份額

2.1 國外應用情況

英飛凌科技股份公司于2020年9月推出的新型感測和平衡IC（TLE9012AQU）能夠實現整個工作電壓范圍和溫度范圍內測量誤差為±5.8 mV，提供集成式電池單元平衡功能，TLE9012AQU集成150 mA均衡開關管，能夠實現多通道均衡，也可以實現單個單元的均衡。用戶還可以搭配外部MOSFET，以實現更大的均衡電流。美國德州儀器（TI）推出了一種搭建基于BQ79616和CC2662芯片的無線BMS解決方案，可支持多達100個節點，每個節點的延遲都低于2 ms，達到業界較低水平，并且可實現時間同步測量。最新推出的奧迪e-tron電動汽車的電芯均衡通過CSC（Cell Supervision Circuit）監控單元來實現，其采用被動均衡方案對各模組的電壓進行比較，識別高電壓單元，在充電時如電壓差達到1%以上則觸發均衡。

2.2 國內應用情況

2020年下半年，山東漢唐電動汽車科技有限公司自主研發了搭載主動均衡BMS的三元鋰電PACK及與其匹配的動力系統。科列技術開發的BMS的均衡電流可達5 A，轉換效率提高到90%以上，可以有效彌補各電池之間的不一致。榮威RX5 eMAX自主研發的智能電池均衡技術能夠綜合電芯容量、SOC、溫度及工作狀態等特征，可分時擇機對電芯進行均衡管理。安徽力高BMS產品有B3系列和B5系列等，其中B51產品采用被動均衡策略，B52產品采用主動均衡策略，電壓采集誤差均≤5 mV，SOC誤差≤5%。

3 電池均衡管理技術研究趨勢

縱觀近兩年的研究成果，電池均衡設計研究主要集中于均衡路徑優化、原理優化、模塊化均衡及集成系統等方面：將功率晶體管與低阻值電阻串聯減小晶體管功耗可實現放電期間快速均衡；周期性停止充電可避免充電期間電池電壓不準確引起的過早均衡。均衡管理工藝設計在任何一種鋰電池系統中都顯得十分重要，充放電均衡作為電動汽車電池關鍵技術之一，仍具有很大的研究提升空間，基于國內外研究現狀及研究趨勢，未來電池均衡系統的研究可從以下幾方面展開：

（1）電池荷電狀態SOC估算精確化，增加對汽車電壓、電流傳輸情況等參數的實時跟蹤監測。

（2）對均衡控制算法優化，云控制是利用機器學習或深度學習方法來預測不一致性演化、尋找最優控制方案的可行方法。隨著基于云計算控制方法的逐步完善，云控制均衡化會成為未來的發展趨勢。

（3）合理設計電池均衡方案，選擇最佳模塊數量和電路層次，降低電路能量損耗，提高均衡系統抗干擾能力，提高均衡電路的工作效率以實現最優設計。

（4）集成化電池均衡系統通過半導體工藝對均衡電路中的元件及布線進行集成和封裝，有利于進一步縮小電路體積，降低電路成本。

4 結 論

電動汽車和相關電池市場的擴大有助于實現清潔能源減排和經濟發展有關的可持續發展目標。國內有必要制定一項長期的未來計劃，以提高電動汽車在電池精確監測和控制、碳減排、全球合作和可持續發展方面的績效。研究電池均衡技術的主要目的是實現簡化均衡電路、提升均衡速度、增大均衡效率、提高均衡精度、降低均衡成本，進一步突破傳統工作模式限制，高效提升其實際運行質量和效率。電池均衡技術作為電動汽車關鍵技術之一，必將推動電動汽車研究取得更大突破。